直流输电基本原理课件.ppt

中国电力科学研究院中国电力科学研究院直流输电基本原理直流输电基本原理课件内容提要内容提要•直流输电原理直流输电原理•换流器的结线方式换流器的结线方式•6脉动可控桥脉动可控桥•换相过程换相过程•整流器运行整流器运行•逆变器运行逆变器运行•等值电路图等值电路图•稳态特性稳态特性•两站控制特性的配合两站控制特性的配合•交流量和直流量的近似关系交流量和直流量的近似关系•交直流谐波及无功补偿交直流谐波及无功补偿直流输电基本原理课件直流输电原理(正送) 整流整流逆变逆变注意注意:只需很小的压只需很小的压差差Id直流输电基本原理课件直流输电原理直流输电原理(反送反送)整流整流逆变逆变Id注意注意: 只需很小的压差只需很小的压差 电流方向不变电流方向不变,仅电压极性反转！仅电压极性反转！直流输电基本原理课件换流器的结线方式换流器的结线方式 采用采用6脉动脉动换流桥为基本单元换流桥为基本单元 与其他结线方式相比，与其他结线方式相比， 6脉动换流桥的优点：脉动换流桥的优点：•直流电压相同条件下，阀在断态下所承受的电压峰值较低；直流电压相同条件下，阀在断态下所承受的电压峰值较低；•直流输出功率相同条件下，换流变压器阀侧绕组容量较小；直流输出功率相同条件下，换流变压器阀侧绕组容量较小；•换流变结线简单，无需两个副绕组或有中心抽头的副绕组；换流变结线简单，无需两个副绕组或有中心抽头的副绕组；采用晶闸管元件（半控器件）采用晶闸管元件（半控器件）•晶闸管导通条件晶闸管导通条件 正向电压正向电压 触发脉冲触发脉冲 •晶闸管关断条件晶闸管关断条件 电流过零电流过零 直流输电基本原理课件晶闸管晶闸管 阴极阳极门极直流输电基本原理课件六脉动换流桥六脉动换流桥桥臂桥臂共阴极组共阴极组共阴极组共阴极组共阳极组共阳极组共阳极组共阳极组直流输电基本原理课件晶闸管阀塔晶闸管阀塔 直流输电基本原理课件6脉动二极管整流桥脉动二极管整流桥(未计入换相电感未计入换相电感)eaebec共阳极组共阴极组IdId直流输电基本原理课件6脉动二极管整流脉动二极管整流直流电压（平均值） 纹波直流输电基本原理课件整流器的阀电流和交流侧电流（整流器的阀电流和交流侧电流（不计换相不计换相））直流输电基本原理课件换相过程换相过程eaebec直流输电基本原理课件叠弧（换相电感）引起的电压降叠弧（换相电感）引起的电压降整流电压(平均值) 电压降 峰值整流 直流输电基本原理课件6脉动可控桥脉动可控桥a >0 时，考虑叠弧后整流电压平均值-eaebeci ai ci bIdIdABCU+U-直流输电基本原理课件可控整流电压可控整流电压 C直流输电基本原理课件电压矢量关系eaebec(ea+ec)/2电压矢量关系直流输电基本原理课件可控整流器的外特性可控整流器的外特性直流输电基本原理课件换流器的等值电路换流器的等值电路直流输电基本原理课件可控整流器的阀两端电压波形可控整流器的阀两端电压波形直流输电基本原理课件单桥整流器相电流波形单桥整流器相电流波形eaebeceaebecC1C2C3C4C5C6C1C1C2C3C4C5C65 6 15 66 1 26 11 2 31 22 3 42 33 4 53 44 5 64 55 6 15 66 1 26 11 2 31 22 3 42 33 4 53 44 5 64 5p1p2p3p4p5p6p1p2p3p4p5p6U+U-直流输电基本原理课件单桥整流器电压波形单桥整流器电压波形eaebeceaebecC1C2C3C4C5C6C1C1C2C3C4C5C65 6 15 66 1 26 11 2 31 22 3 42 33 4 53 44 5 64 55 6 15 66 1 26 11 2 31 22 3 42 33 4 53 44 5 64 5p1p2p3p4p5p6p1p2p3p4p5p6eaceabebaebcecbecaeaceabebaebcecbecaU+U-直流输电基本原理课件整流桥波形 整流运行 直流电压 相电流 桥臂电压直流输电基本原理课件整流运行小结整流运行小结 直流电压直流电压 Vd＝＝Vdiocos  －－d Id Vdio＝＝1.35E 理想空载直流电压理想空载直流电压 E 换流变阀侧线电压有效值换流变阀侧线电压有效值 d  ＝＝3 L /  等值换相电阻等值换相电阻 L  从电源到阀桥之间的每从电源到阀桥之间的每相相 等值电抗等值电抗 Id 直流电流直流电流直流输电基本原理课件单桥逆变器单桥逆变器直流输电基本原理课件逆变器逆变器直流输电基本原理课件逆变器的直流电压（逆变器的直流电压（ μ > 0 ））直流输电基本原理课件逆变电压逆变电压 ACc4V5P1V5V1V1直流输电基本原理课件逆变器的阀电压与阀电流逆变器的阀电压与阀电流直流输电基本原理课件 ecebeaeaebec p4 p3 p6 p1 p2 p5 p1. p2 P4 p3 p6 p56126145634556112323434545656161212323445566112233445561223C6C4C4C2C3C5C6C1C2C3C5C1iV1iV2iV3iV4iV5iV6单桥逆变器阀电流波形单桥逆变器阀电流波形直流输电基本原理课件单桥逆变器换流变阀侧电流波形单桥逆变器换流变阀侧电流波形ecebeaeaebec p4 p3 p6 p1 p2 p5 p1. p2 P4 p3 p6 p56126145634556112323434545656161212323445566112233445561223C6C4C4C2C3C5C6C1C2C3C5C1iv1iv1-iv4-iv4iv3iv3-iv6-iv6iv5-iv2-iv2iv5直流输电基本原理课件逆变桥波形逆变桥波形 逆变运行 直流电压 相电流 桥臂电压直流输电基本原理课件逆变运行小结逆变运行小结超前角超前角   ＝＝180°－－ 迭弧角迭弧角 关断角关断角  (δ) 熄弧角，换相余裕角熄弧角，换相余裕角 直流电压直流电压 Vd＝＝Vdiocos  ＋＋d Id Vd＝＝Vdiocos   －－d Id Vdio＝＝1.35E 理想空载直流电压理想空载直流电压 E 换流变阀侧线电压有效换流变阀侧线电压有效值值 d  ＝＝3 L  /  等值换相电阻等值换相电阻 Id 直流电流直流电流直流输电基本原理课件逆变器定逆变器定γ等值电路等值电路直流输电基本原理课件逆变器定逆变器定β等值电路等值电路直流输电基本原理课件稳态特性稳态特性单桥换流器稳态特性μδ=γ直流输电基本原理课件直流电压与直流电压与 角的关系角的关系 直流输电基本原理课件换流器的功率因数换流器的功率因数μμμμ直流输电基本原理课件相关公式总结相关公式总结 整流逆变叠弧角直流输电基本原理课件等值电路图等值电路图直流输电基本原理课件稳态特性稳态特性 S点左侧点左侧 Vd = Vdzocos - Id d z S点右侧点右侧 定定  运行运行 Vd = Vdoncos  +Id (d n + R) 定定  运行运行 Vd = Vdoncos   - Id (d n - R) Id = (Vdzocos  - Vdoncos ) /(d z+R + d n) = (Vdzocos  - Vdoncos   )/(d z+R - d n)直流输电基本原理课件控制特性配合控制特性配合1 定α、定β 定α、定γ ②①Vd1.0(p.u.)0.0 Id(p.u.)(p.u.)③①Vd1.00.0 Id(p.u.)直流输电基本原理课件控制特性配合控制特性配合2 定Id、定β 定α、定IdVd1.0(p.u.)0.0 Id(p.u.)(p.u.)Vd1.00.0 Id(p.u.)Cc直流输电基本原理课件控制特性配合控制特性配合3 定Ud、定Id Vd1.0(p.u.)0.0 Id(p.u.)(p.u.)Vd0.80.0 Id(p.u.)BCbc直流输电基本原理课件控制特性配合控制特性配合4 电流裕度控制电流裕度控制Vd1.0(p.u.)0.0 Id(p.u.)°γIdzIdnVd 1.0(p.u.)0.0 Id(p.u.)γ=18°IdzIn∆I直流输电基本原理课件电流调节器示意电流调节器示意Id调节例调节例直流输电基本原理课件小结小结控制直流功率的手段控制直流功率的手段•改变改变 角角(Vd＝＝1.35Ecos  －－d Id) 调节范围大；连续调节；调节速度快。

调节范围大；连续调节；调节速度快 主要控制手段主要控制手段•改变换流变抽头位置改变换流变抽头位置(Vd＝＝1.35Ecos  －－d Id) 调节范围小；分级调节；调节速度慢调节范围小；分级调节；调节速度慢 辅助控制手段辅助控制手段直流输电基本原理课件小结小结 基本控制配合基本控制配合1•整流站控制整流站控制Id 由电流调节器控制由电流调节器控制Id Id ＝＝Ido 由换流变抽头调节控制换流器由换流变抽头调节控制换流器α α=15º±2.5º•逆变站控制逆变站控制Ud 由关断角调节器控制由关断角调节器控制γ γ＝＝17º 由换流变抽头调节控制由换流变抽头调节控制Ud Ud ＝＝ Udo±1%•例：三常、三广例：三常、三广直流输电基本原理课件小结小结 基本控制配合基本控制配合2•整流站控制整流站控制Id 由电流调节器控制由电流调节器控制Id Id ＝＝Ido 由换流变抽头调节控制换流器由换流变抽头调节控制换流器α α=15º±2.5º•逆变站控制逆变站控制Ud 由电压调节器控制由电压调节器控制Ud Ud ＝＝ Udo 由换流变抽头调节控制由换流变抽头调节控制γ γ＝＝17º ±2.5º•例：天广、例：天广、贵广广直流输电基本原理课件小结小结 基本控制配合基本控制配合3•整流站控制整流站控制Id 由电流调节器控制由电流调节器控制Id Id ＝＝Ido 由换流变抽头调节控制换流变阀侧空载电压由换流变抽头调节控制换流变阀侧空载电压Udi0不不变。

•逆变站控制逆变站控制Ud 由关断角调节器控制由关断角调节器控制γ γ＝＝17º 由换流变抽头调节控制换流变阀侧空载电压由换流变抽头调节控制换流变阀侧空载电压Udi0不不变•例：葛南例：葛南 直流输电基本原理课件交流量和直流量的近似关系交流量和直流量的近似关系•交流电流和直流电流交流电流和直流电流 换流桥交流侧电流有效值换流桥交流侧电流有效值 I=(  6/ )*Id = 0.78Id 换流桥交流侧基波电流有效值换流桥交流侧基波电流有效值 I1=(  6/ )*Id*k1 k1 = f( , )•交流电压和直流电压交流电压和直流电压 Vd = [3* 2/(2 )]*E*[cos +cos(  + )]•换流器视在功率换流器视在功率 W =  3*E*I•换流器总功率因数换流器总功率因数 cos  = [cos   + cos ( + )]/2•交流功率和直流功率交流功率和直流功率 P = Pd 忽略换流器损耗（忽略换流器损耗（< 1％％Pdn））直流输电基本原理课件12脉动阀组脉动阀组直流输电基本原理课件1212脉动桥电源侧电流波形脉动桥电源侧电流波形p21p11p31p61p51p41p61p11p61ecbeabeacebcebaecaecbeabC21C31C41C51C61C11C21C11C61C22C32C42C52C62C12C22C12C62ecaecbeabeacebcebaecaecbeabp22p12p32p62p52p42p62p12p62直流输电基本原理课件直流谐波直流谐波1. 直流侧谐波直流侧谐波•特征谐波特征谐波 n=kp 6脉动换流器脉动换流器 6、、12、、18、、… 12脉动换流器脉动换流器 12、、24、、36、、…•非特征谐波非特征谐波 产生的原因：产生的原因： 交流电压中含有谐波电压交流电压中含有谐波电压 两个两个6脉动组的换流变漏抗／变比误差脉动组的换流变漏抗／变比误差 两极换流器运行参数不相等两极换流器运行参数不相等 换流变三相漏抗误差换流变三相漏抗误差 触发脉冲不等距触发脉冲不等距 直流输电基本原理课件直流谐波直流谐波直流谐波的危害直流谐波的危害 1）对直流系统本身）对直流系统本身 直流侧设备附加发热直流侧设备附加发热  设备额定值设备额定值  运行费用运行费用  2）对直流线路和接地极线路邻近通信系统的干扰）对直流线路和接地极线路邻近通信系统的干扰 主要是明线线路主要是明线线路 3）通过换流器使交流谐波）通过换流器使交流谐波  换流器是频率转换器换流器是频率转换器直流输电基本原理课件直流谐波直流谐波2. 2. 对邻近通信线路产生噪声干扰对邻近通信线路产生噪声干扰 干扰电压干扰电压 沿线分布沿线分布 计算：计算：Vi = Kz* = Kz*Ie(i) Vi 直流线路上直流线路上 i点谐波电压对线路产生的干扰电压点谐波电压对线路产生的干扰电压 Kz 1kHz频率下直流线与线间的耦合阻抗频率下直流线与线间的耦合阻抗 n 直流谐波次数直流谐波次数 Pn , Hf n次谐波的等效加权系数及耦合系数次谐波的等效加权系数及耦合系数 In n次谐波电流次谐波电流(极线和地线中谐波电流代数和极线和地线中谐波电流代数和) Ie(i) i点点 等效谐波干扰电流等效谐波干扰电流 实测：实测： 与直流线路相距与直流线路相距1km 平行架设一条实验线路，测量干扰电压。

平行架设一条实验线路，测量干扰电压直流输电基本原理课件直流滤波器直流滤波器等效干扰电流等效干扰电流 表示所有谐波的综合干扰效应，沿线表示所有谐波的综合干扰效应，沿线 分布分布 Ieq(i) = [Ie(i) A2+ Ie(i) B 2]1/2 Ie(i) A 换流站换流站A直流谐波电压源在直流谐波电压源在i点产生的等效干扰电流幅值点产生的等效干扰电流幅值 Ie(i) B 换流站换流站B直流谐波电压源在直流谐波电压源在i点产生的等效干扰电流幅值点产生的等效干扰电流幅值3. 性能衡量标准性能衡量标准 Ieq目前国际上尚无统一标准目前国际上尚无统一标准 单极运行单极运行 双极平衡运行双极平衡运行 葛洲坝工程葛洲坝工程 (mA) 450 150 天广工程天广工程(mA) 1000 500 印度印度Rihand-Delhi 810 270 直流输电基本原理课件直流谐波直流谐波4. 减小直流谐波的途径减小直流谐波的途径•增加脉动数增加脉动数 超过超过12脉动不合算脉动不合算•减小阀的触发角减小阀的触发角 受运行方式限制受运行方式限制•改变直流线路参数改变直流线路参数 增大衰减常数增大衰减常数(理论理论) •装设直流滤波器装设直流滤波器 工程应用工程应用5. 直流滤波器类型直流滤波器类型•无源型无源型 (葛南、三常、三广等葛南、三常、三广等)•有源型有源型 完全有源型完全有源型 混合有源型混合有源型 (天广天广)直流输电基本原理课件直流谐波直流谐波•直流滤波器类型选择直流滤波器类型选择•目前世界上已投运的高压直流输电工程中，两目前世界上已投运的高压直流输电工程中，两种型式的直流滤波器都有采用。

种型式的直流滤波器都有采用•无源直流滤波器已有多年的运行经验，在大多无源直流滤波器已有多年的运行经验，在大多数工程中采用数工程中采用•有源直流滤波器首次于有源直流滤波器首次于1991年在康梯年在康梯—斯堪斯堪I工程中投入试运行，后来又在斯卡格拉克工程中投入试运行，后来又在斯卡格拉克III和和波罗的海电缆工程中被采用我国天波罗的海电缆工程中被采用我国天—广直流广直流工程则是采用有源直流滤波器的远距离架空线工程则是采用有源直流滤波器的远距离架空线路直流输电工程路直流输电工程 直流输电基本原理课件直流谐波直流谐波直流滤波器的配置方案直流滤波器的配置方案 目前世界上的目前世界上的HVDC工程，通常采用如下直工程，通常采用如下直流滤波器的配置方案：流滤波器的配置方案：(1) 在在12脉冲换流器低压端的中性母线和地之脉冲换流器低压端的中性母线和地之间连接一台中性点冲击电容器以滤除流经该间连接一台中性点冲击电容器以滤除流经该处的各低次非特征谐波，一般不装设低次谐处的各低次非特征谐波，一般不装设低次谐波滤波器以避免增加投资波滤波器以避免增加投资2) 在换流站每极直流母线和中性母线之间并在换流站每极直流母线和中性母线之间并联两组双调谐或三调谐无源直流滤波器。

联两组双调谐或三调谐无源直流滤波器 调谐到调谐到12／／24／／36次 直流输电基本原理课件三常直流滤波器三常直流滤波器直流输电基本原理课件贵广贵广1回直流滤波器回直流滤波器直流输电基本原理课件交流谐波及无功补偿交流谐波及无功补偿 换流变网侧电流波形换流变网侧电流波形六脉动阀组六脉动阀组Y/Y六脉动阀组六脉动阀组Y/D　　十二脉动阀组十二脉动阀组直流输电基本原理课件交流谐波及无功补偿交流谐波及无功补偿1. 换流器交流侧谐波换流器交流侧谐波(特征谐波特征谐波) n＝＝kp±1 k=1,2,3,….,n 6脉动换流器脉动换流器 5,7；；11,13；；17,19；； 23,25；； …. 12脉动换流器脉动换流器 11,13；；23,25；；35,37；；…. 谐波次数谐波次数 ，幅值，幅值  In  I1/n 换流器产生的谐波随运行工况而变化（如换流器产生的谐波随运行工况而变化（如 Id，， ，，  ）。

2. 交流谐波的危害交流谐波的危害 损耗增加损耗增加 电器发热电器发热　　机械振动　　机械振动直流输电基本原理课件交流谐波随直流电流变化交流谐波随直流电流变化直流输电基本原理课件交流谐波及无功补偿交流谐波及无功补偿3. 谐波治理谐波治理 加装相应滤波器，不让谐波流入系统加装相应滤波器，不让谐波流入系统 背景谐波的影响背景谐波的影响 低次谐波低次谐波 调谐滤波器调谐滤波器 单调谐，双调谐，三调谐单调谐，双调谐，三调谐 高次谐波高次谐波 高通高通•普通交流滤波器普通交流滤波器•连续调谐连续调谐直流输电基本原理课件安顺换流站交流场安顺换流站交流场直流输电基本原理课件交流谐波及无功补偿交流谐波及无功补偿4. 换流器交流侧谐波换流器交流侧谐波(非特征谐波非特征谐波) 非特征谐波产生原因：非特征谐波产生原因：•Id 中存在纹波中存在纹波•Uac 中存在谐波中存在谐波•交流基波电压不对称交流基波电压不对称•换流变阻抗相间差异换流变阻抗相间差异•Y/Y和和Y/ 换流桥点火角差异、变比差异、阻抗差异换流桥点火角差异、变比差异、阻抗差异•点火脉冲不完全等距点火脉冲不完全等距 治理：治理： 必要时加装相应滤波器，如必要时加装相应滤波器，如3次谐波滤波次谐波滤波器。

器直流输电基本原理课件交流谐波及无功补偿交流谐波及无功补偿5. 谐波指标定义谐波指标定义 单次谐波畸变率单次谐波畸变率 Dn = Un*100%/U1 总的谐波畸变率总的谐波畸变率 D= /U1* 100% 谐波波形系数谐波波形系数 THFF = /U1 Un n次谐波相压（有效值）次谐波相压（有效值） U1 额定基波相压额定基波相压 （有效值）（有效值） n 谐波次数谐波次数 Kn n*50/800 Pn n次谐波噪音评价系数次谐波噪音评价系数/1000直流输电基本原理课件交流谐波及无功补偿交流谐波及无功补偿 6. 谐波控制指标（例）谐波控制指标（例）•单次谐波畸变率单次谐波畸变率 Dn   1％％•总的谐波畸变率总的谐波畸变率 D   2％％•谐波波形系数谐波波形系数 THFF  1％％直流输电基本原理课件三常直流交流滤波指标三常直流交流滤波指标直流输电基本原理课件换流器无功需求换流器无功需求直流输电基本原理课件交流谐波及无功补偿交流谐波及无功补偿 7. 换流站需要无功换流站需要无功 用晶闸管阀进行换流，采用电网电源换相用晶闸管阀进行换流，采用电网电源换相技术，换流器在运行中要吸取无功功率，其值技术，换流器在运行中要吸取无功功率，其值一般为所交换的有功功率的一般为所交换的有功功率的40%~60%（额定（额定功率下），通常在换流站需要装设适当的无功功率下），通常在换流站需要装设适当的无功补偿装置补偿装置 ，以满足系统无功平衡的要求。

以满足系统无功平衡的要求　　无功功率补偿装置一般有以下几种形式：　　无功功率补偿装置一般有以下几种形式：　　　　(1) 交流滤波器及电容器组交流滤波器及电容器组　　　　(2) 交流并联电抗器交流并联电抗器　　　　(3) 静止补偿装置静止补偿装置　　　　(4) 同步调相机同步调相机　　直流输电基本原理课件交流谐波及无功补偿交流谐波及无功补偿8. 换流站无功补偿设备换流站无功补偿设备•交流滤波器的基波无功交流滤波器的基波无功 固有的固有的 n次滤波器次滤波器 每相基波无功每相基波无功 Q＝＝ C(n2/(n2 -1))U2 U 基波相电压基波相电压•并联电容器并联电容器 费用低、容量与电压平方成比例费用低、容量与电压平方成比例•同步补偿机同步补偿机 费用高、维护量大、可提高稳定性费用高、维护量大、可提高稳定性•静止补偿器静止补偿器 费用高、调节性能好费用高、调节性能好•当短路比（当短路比（S S／／PdPd））>3>3时，通常采用交流滤波器及电容时，通常采用交流滤波器及电容器组和电抗器组。

器组和电抗器组•当短路比当短路比<3<3时，才需要考虑其他器件时，才需要考虑其他器件直流输电基本原理课件交流谐波及无功补偿交流谐波及无功补偿9. 无功补偿设备分组无功补偿设备分组 分组分组   相应的开关设备相应的开关设备  占地占地  投资投资  减少分组的主要限制条件减少分组的主要限制条件 1) 交流系统最大容许投切容量交流系统最大容许投切容量 单组投切稳态电压变化单组投切稳态电压变化  一般要求一般要求 1％～％～1.5% 单组投切动态电压变化单组投切动态电压变化  一般要求一般要求 2％％ 交流系统稳态强度交流系统稳态强度(dU/dQ)越小，要求越严越小，要求越严 2）滤波器种类）滤波器种类 为保证直流系统可靠性和可用率，每种滤波器需要多于为保证直流系统可靠性和可用率，每种滤波器需要多于1组。

组通常，一个换流站的容性无功补偿设备分为通常，一个换流站的容性无功补偿设备分为8～～12组，感性无功组，感性无功0～～2组 直流输电基本原理课件 谢谢谢谢! 请提出您的宝贵意见直流输电基本原理课件。